弹条折痕对DI弹条大圆弧断裂的影响.pdf

第 63 卷 第 9 期2023 年9 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.9September 2023文章编号：10031995（2023）09002805弹条折痕对DI弹条大圆弧断裂的影响王敏1 段玉振2 陈应东3 张宏亮21.北京铁科首钢轨道技术股份有限公司，北京 102206；2.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037；3.中铁城市发展投资集团有限公司，成都 610213摘要 为研究地铁DT2型扣件DI弹条大圆弧存在折痕后弹条大圆弧发生异常断裂的影响因素，分别建立大圆弧无折痕、有折痕两种DI弹条模型，代入精细化扣件系统有限元模型，考虑不同线路形式、车速组合设置12种工况进行动力学仿真计算，对比分析折痕对DI弹条应力分布的影响，并按照第四强度理论分析弹条的安全性。结果表明：各工况下，弹条无折痕时，最大Mises应力均出现在前拱小圆弧内侧，未达到弹条材料的屈服强度，弹条没有发生断裂的风险；弹条有折痕时，最大Mises应力均出现在弹条折痕位置，产生应力集中；弹条铺设在小半径曲线区段或列车运行速度大于等于120 km/h时，在列车周期性冲击荷载作用下，弹条在折痕处有异常断裂风险。弹条生产厂家应调整生产工艺，消除弹条出厂初始缺陷，确保弹条平滑。关键词 地铁；弹条；折痕；数值模拟；应力集中；屈服强度；断裂失效中图分类号 U213.5+3 文献标识码 A DOI：10.3969/j.issn.10031995.2023.09.07引用格式：王敏，段玉振，陈应东，等.弹条折痕对DI弹条大圆弧断裂的影响 J.铁道建筑，2023，63（9）：2832.DT2型扣件是针对于城市轨道交通地下线工程特点而研发的扣件，具有零部件少、施工便捷等特点。该扣件静刚度为（30 5）kN/mm，单根弹条扣压力为8.25 kN，单根弹条弹程（中间弹条）为10.5 mm。城市轨道交通扣件采用的e型弹条主要包含国铁型弹条和DI弹条。e型弹条应力最大位置为小圆弧内侧及跟端下侧1-2，如图1所示。正常设计情况下，最大应力小于屈服强度。使用过程中两种弹条均有断裂情况发生。陈宪麦等1通过有限元计算研究表明，弹条弹程较大时弹条应力超过弹条材料屈服极限会引发弹条塑性变形，在列车荷载作用下导致弹条断裂，并且在现场波磨引起的钢轨振动引发弹条共振，也会促使弹条发生断裂。余鸿3研究发现弹条安装不规范会增加弹条内部应力，导致弹条受力不均，从而引起断裂。赵阳磊等4从材料金相组织角度研究认为弹条热处理工艺不佳时，在列车荷载作用下，弹条高应力位置表层材料会发生疲劳损伤，引发断裂。张松琦等5对非正常断裂弹条研究并提出DI弹条生产模具和安装工艺的优化建议，指导e型弹条设计、安装及后期维护。目前对于e型弹条断裂的原因分析及改进建议主要集中在常规小圆弧位置发生断裂现象的情况，但个别城市地铁中发生 e型弹条大圆弧位置发生断裂现象。吴浩等6针对于这一现象采用非线性有限元和模态分析方法研究，得出在e型弹条2阶固有频率共振时弹条最大应力出现在大圆弧位置，且轨距挡块与弹条之间的相对微动、摩擦将导致弹条2阶固有频率减低，引起弹条在大圆弧位置发生振动断裂。该项研究对于e型弹条发生大圆弧断裂的原因探究具有一定的指导意义。在某地铁线路中发生DI弹条大圆弧断裂地段，现场查看发现钢轨并无波磨，因此该断裂非共振引发。经踏勘发现，现场安装同批次DI弹条在大圆弧位置存在明显折痕迹，属弹条生产加工产生的初始缺陷，如图1正常状态下e型弹条应力分布（单位：MPa）收稿日期：20230207；修回日期：20230721第一作者：王敏(1991)，男，工程师，硕士。E-mail：第 9 期王敏等：弹条折痕对DI弹条大圆弧断裂的影响图2所示。本文通过非线性接触有限元法对DI弹条的上述异常情况进行分析，以期解释在无波磨共振影响地段DI弹条大圆弧断裂原因。1 有限元模型 在有限元分析软件中进行扣件精细化建模，采用实体单元对DT2型扣件各部件按照实际尺寸建模。部件包括锚固螺栓、钢轨、弹条、铁垫板、轨距挡板、平垫圈以及轨枕。建立车辆-轨道多体动力学模型，通过模拟真实地铁车辆和线路，提取列车行驶过程中的轮轨垂向、横向力，作为有限元分析软件中扣件精细化模型的荷载输入。在钢轨对应位置施加荷载，并设置幅值使荷载随时间变化，模拟列车通过。1.1弹条材料参数弹条采用60Si2Mn弹簧钢，弹条材料本构关系采用理想线性强化弹塑性模型。根据GB/T 12222016弹簧钢，弹条材料抗拉强度不小于1 570 MPa，屈服强度不小于1 375 MPa，伸长率不小于5%，断面收缩率不小于20%。模型中弹条材料屈服强度取1 375 MPa，抗拉强度取1 570 MPa，强化模量E1=0.1E，其中E为弹性模量。扣件各零部件材料特性见表1。1.2有限元模型用Soild实体单元进行离散处理，建立扣件各部分有限元模型并进行装配，见图3。为研究大圆弧存在折痕对弹条受力的影响，分别建立无折痕、有折痕的弹条模型进行有限元分析。有折痕的模型中，折痕采用生死单元法模拟，通过在扣件的对应位置删除部分单元来模拟弹条折痕造成的损伤，折痕深度按照1 mm考虑。为了精确表示折痕，对弹条的网格进行细化，并将弹条大圆弧处网格单元类型由六面体单元更换为四面体单元，见图4。1.3接触关系设置为研究弹条的断裂机理，清晰反映弹条的受力特征，同时为了保证计算精确度，真实模拟弹条的受力状态，采用非线性接触理论处理弹条与铁垫板之间的面-面接触关系，见图5。设置边界条件时，钢轨两端采用对称约束模拟钢轨在纵向无限长，螺栓螺纹处、轨枕底面采用绑定约束。1.4弹条模型验证为分析弹条在规范安装工况下的静力性能并验证模型的正确性，模型中将弹条后拱小圆弧内侧与铁垫板支座之间距离设置为 6 mm，加载弹程设置为10.5 mm，得到弹条变形云图，见图6。可知，弹条趾端图2DT2型扣件折痕及弹条断裂表1扣件各零部件材料特性零部件弹条铁垫板螺栓轨距挡块钢轨轨枕垫圈弹性模量/GPa2061732108.521036206泊松比0.30.30.30.40.30.20.3密度/（kgm-3）7 8007 8007 8001.577 8002 5007 800图3有限元模型图4有折痕的弹条模型图5各部件接触关系29铁道建筑第 63 卷变形最大，中肢部位变形最小，弹条前拱大圆弧中点垂向变形为7 mm。根据计算结果，此时弹条扣压力为8.46 kN，与弹条设计值相差2.5%，此模型可以用来进行静力分析。2 轮轨力仿真计算 2.1车辆及线路参数根据GB 501572013 地铁设计规范 表4.1.5，地铁车辆取A型车，车辆轴重取极端值，即最大轴重17 t，最小轴重 14 t；车辆定距为 15.7 m，固定轴距为2.5 m。根据真实线路情况，模型中线路设定为100 m直线+100 m 缓和曲线+100 m 曲线+100 m 缓和曲线+100 m直线，共500 m。轨道不平顺采用美国五级谱。根据文献 7 确定相关参数，并导入分析软件，不平顺激励的长度为0 500 m，即全线存在不平顺激励。2.2工况设置为对比各参数对扣件弹条受力状态的影响，设置12种计算工况，见表2。2.3仿真计算对地铁车辆在施加不平顺激励的线路行驶时的轮轨垂向、横向力展开仿真计算。以工况1为例，列车行驶时的轮轨力时程曲线见图7。可知，由于施加了不平顺激励，在初始运行阶段车身出现抖动，使得轮轨垂向力和横向力有异常峰值，导致计算结果失真。因此，后期处理中将异常峰值剔除后，作为荷载输入，代入扣件有限元模型进行计算。3 弹条动力学计算 3.1评价指标弹条为金属塑性材料，在安装过程和列车振动荷载作用下承受应力，产生变形。过大的变形使弹条达到屈服极限，是造成其伤损劣化的重要原因。因此，分析弹条受力时应选取合理的评价指标，即材料的强度准则。DI弹条60Si2Mn材料定义为塑性材料，弹条在列车荷载作用下发生振动，承受拉压、扭转、剪切力等。第四强度理论考虑了三个主应力的共同作用，能更好地描述实际受力状态。因此，采用第四强度理论（Mises准则）作为控制评价指标。3.2无折痕DI弹条动力学计算结果及分析对12种工况下无折痕状态的DT2型扣件DI弹条进行动力学计算。工况1工况12下计算得到的最大Mises应力依次为1 131、1 172、1 150、1 161、1 183、1 198、1 169、1 202、1 177、1 187、1 199、1 207 MPa，最大应力均发生在前拱小圆弧处。以工况1为例，提取无折痕的DI弹条Mises应力分布，见图8。可知，弹条前拱和跟端应力较大，Mises应力最大值出现在前拱小圆弧内侧，达到了1 131 MPa，图6弹条变形云图（单位：m）表2工况设置工况123456789101112轴重/t141414141414171717171717速度/（kmh-1）718580100120130718580100120130曲线半径/m300300直线直线直线直线350350直线直线直线直线超高/mm120150120150图7轮轨力时程曲线图8工况1下弹条Mises应力分布（单位：Pa）30第 9 期王敏等：弹条折痕对DI弹条大圆弧断裂的影响尚未达到弹条材料的屈服强度，弹条整体为安全状态，没有发生断裂的风险。12种工况下无折痕DI弹条最大Mises应力均符合这一特征。3.3有折痕DI弹条动力学计算结果及分析对12种工况下有折痕状态的DT2型扣件DI弹条进行动力学计算，计算结果见表3。可知：最大应力均发生在折痕处。以工况1为例，提取有折痕的DI弹条Mises应力分布及折痕处的Mises应力，见图9、图10。可知，添加折痕以后，在相同的工况下，弹条后拱小圆弧和折痕处的应力较大；弹条最大应力出现在折痕处，最大值为 1 414 MPa，已经超过了屈服强度。说明在有折痕的情况下，弹条在折痕处出现应力集中，折痕处最大应力已超过小圆弧位置并发生了塑性变形。虽然材料有屈服强化的特性，折痕所在截面强度弱于其他截面，成为弹条受力的薄弱点。在列车长期往复荷载的作用下，折痕位置存在发生疲劳破坏断裂的风险。综上，线路线形对有折痕的 DI弹条受力影响更大。由工况1、工况2、工况7、工况8的计算结果可知，弹条在小半径曲线地段服役时，折痕处应力均超过屈服强度，弹条在列车荷载下断裂风险更大。同种线路情况下，列车运行速度越快，弹条受力越大，当列车运行速度在100 km/h以下时，弹条虽有折痕但也没有疲劳断裂风险；当列车运行速度大于等于120 km/h时，有折痕的弹条有一定断裂风险。4 结论及建议 本文在建立DT2型扣件有限元模型的基础上，分别建立了无折痕、有折痕情况下的弹条模型，代入扣件有限元模型并进行动力学仿真计算。得出以下结论：1）DI弹条无折痕时，12种工况下，最大Mises应力均出现在前拱小圆弧内侧，未达到弹条材料的屈服强度，弹条整体为安全状态，没有发生断裂的风险。2）弹条存在初始缺陷折痕时，12种工况下，折痕位置均出现应力集中，小半径曲线地段以及列车运行速度大于等于120 km/h地段服役的弹条，在折痕处最大Mises应力优先超过屈服强度，存在断裂风险，这与实际情况相吻合。3）弹条生产厂家应调整生产工艺，消除弹条出厂的初始缺陷，确保弹条形状平滑，可以有效避免弹条发生异常断裂的情况发生，对于提高弹条的使用寿命是有利的。参考文献1 陈宪麦，屈郑嘉，陈文韬，等.地铁DT2扣件弹条力学特性及断裂研究 J.中南大学学报（自然科学版），2019，50（11）：2813-2822.2 李文豪，王安斌，高晓刚.DT-型轨道扣件弹条性能分析J.上海工程技术大学学报，2019，33（4）：297-303.3 余鸿.地铁扣件DI弹条病害分析及优化改进研究 D.成都：西南交通大学，2017.4 赵阳磊，王灵水，曹翁恺，等.地铁用e型弹条断裂分析 J.铁道技术监督，2020，48（10）：35-40.5 张松琦，张远庆，汝继来，等.扣件DI弹条非正常部位断裂原因分析及结构优化 J.铁道建筑，2020，60（3）：137-140.6 吴浩，韦凯，王显，李昕，等.地铁曲线波磨段e型弹条大圆弧共振断裂因素研究 J.铁道科学与工程学报，2022，19（7）：1862-1871.7 翟婉明.车辆-轨道耦合动力学 M.北京：科学出版社，2014.表3有折痕的DI弹条Mises应力工况123456789101112应力/MPa折痕处1 4141 4311 3421 3511 3821 3921 4301 4391 3571 3621 3851 397小圆弧处1 3901 3971 3001 3061 3571 3861 3801 3861 3221 3301 3171 348图9弹条Mises应力分布（单位：Pa）图10折痕处Mises应力（单位：Pa）31铁道建筑第 63 卷Effect of Clip Creases on Large Arc Fracture of DI ClipWANG Min1，DUAN Yuzhen2，CHEN Yingdong3，ZHANG Hongliang21.Beijing Tieke Shougang Rail Technology Co.Ltd.，Beijing 102206，China；2.Beijing Urban Construction Design&Development Group Co.Ltd.，Beijing 100037，China；3.China Railway City Development and Investment Group Co.Ltd，Chengdu 610213，ChinaAbstract To study the influencing factors of large arc abnormal fracture of the DI clip of the DT 2 type subway fastener after the existence of creases，two types of DI clip models with and without creases at the position of the large arc were established，which were substituted into the finite element model of the refined fastener system.Considering different line forms and vehicle speed combinations and setting 12 operating conditions，the dynamic simulation calculations was conducted，the impact of creases on the stress distribution of DI clips was compared and analyzed，and the safety of the elastic bars was analyzed according to the fourth strength theory.The results show that under all working conditions，when the clip has no creases，the maximum Mises stress appears on the inner side of the small arc in the front arch，which does not reach the yield strength of the clip material，and there is no risk of fracture of the clip.When there are creases，the maximum Mises stress occurs at the crease position of the clip，resulting in stress concentration.When the clip is laid in a small radius curve section or when the train speed is greater than or equal to 120 km/h，under the periodic impact load of the train，there is a risk of abnormal fracture of the clip at the crease.The manufacturer of the elastic strip should adjust the production process，eliminate the initial defects of the elastic strip before leaving the factory，and ensure the smoothness of the clip.Key words subway；clip；crease；numerical simulation；stress concentration；yield strength；fracture failureCitation format：WANG Min，DUAN Yuzhen，CHEN Yingdong，et al.Effect of Clip Creases on Large Arc Fracture of DI Clip J.Railway Engineering，2023，63（9）：2832.（编辑：苗蕾 校对：郑冰）32